AR技術在施工關鍵節(jié)點中的應用研究

余 浩，尹增寶，劉莎莎，莊 越，陳 浩

（中建二局第三建筑工程有限公司，北京 100070）

BIM 技術通過對建筑數(shù)據(jù)化、信息化模型的整合，在項目全生命周期過程中進行信息共享和模型傳遞，使工程技術人員對各種建筑信息做出正確理解和高效應對，為設計團隊以及各方參建單位提供協(xié)同工作的基礎，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用[1]。增強現(xiàn)實技術簡稱AR，是在VR技術基礎上發(fā)展而來[2]。AR 技術是一種基于影像定位并且實時顯示三維模型的技術，能使虛擬模型與真實世界無縫融合，使體驗更加真實，增強使用者對現(xiàn)實世界的感知效果。得益于VR 技術的發(fā)展，通過計算機技術和硬件的不斷更新?lián)Q代，發(fā)展出了AR技術?，F(xiàn)在的AR 技術已經(jīng)能夠提供更加完善和個性化的功能。BIM 結合AR 技術將為建筑業(yè)賦能并帶來更大發(fā)展。AR 增強現(xiàn)實技術在國內(nèi)處于起步階段，許多虛擬現(xiàn)實領域的企業(yè)已經(jīng)開始專注于增強現(xiàn)實的研發(fā)和應用，AR 技術工作流程如圖1所示。

圖1 AR技術工作流程

1 節(jié)點模型搭建與傳遞

在設計環(huán)節(jié)將BIM 和AR 技術結合能夠幫助設計師以更低的成本、更快的速度、更高的質量完成設計任務，精準的傳達設計理念。兩種技術手段結合不僅直觀地表現(xiàn)模型的外觀和物理屬性，而且能將建筑的設計意圖、建造理念及所需要的基礎信息完整地表現(xiàn)出來。從施工環(huán)節(jié)來看，BIM 與AR 技術的結合能夠為工程管理人員以及相關的施工人員提供重要的工具，使工程內(nèi)部精確構造一目了然，能讓技術人員和施工者盡早地發(fā)現(xiàn)施工過程中的問題，并將問題及時的進行處理。這樣既節(jié)省了時間，確保工期的順利進行，也進一步保證了工程的總體質量。

BIM 技術的關鍵是通過精確建模建立虛擬三維模型并為模型提供完整的建筑工程信息。本研究選用Revit 軟件進行精確建模，模型尺寸嚴格按照圖集和規(guī)范要求。因為只研究可視化，不涉及信息化，所以對三維模型的信息化不做具體要求。模型選擇模板支架節(jié)點，以梁底不設立桿的梁板模板支架節(jié)點形式為例建模（圖2、圖3）。

圖2 梁底不設立桿的梁板模板支架

圖3 梁底不設立桿的梁板模板支架Revit模型

三維軟件之間相互導入導出會涉及一些格式不兼容的問題，不同的格式有著不同的定位及用處，有開源的也有商業(yè)的，目前很多三維軟件之間互導存在很大問題。三維格式可以理解為基于同一規(guī)范的技術表征，簡化的看成一種統(tǒng)一的分類方式。對于三維模型倆說格式種類繁多，不同應用領域、不同功能屬性，讓人眼花繚亂，如何選擇可以互導的三維格式成了需要認真考慮的問題。FBX 是FilmBoX 軟件的模型格式，后改稱Motionbuilder。因為是動作制作平臺，在前端建模和后端渲染也都有賴于其他軟件的配合，所以在轉換上下了一番功夫。FBX 最大的用途是用在Max、Maya、Softimage 等軟件間進行模型、材質、動作和攝影機信息的互導。

本研究大多使用Autodesk 公司或者與FBX格式兼容較好的軟件，且FBX 已經(jīng)深耕模型領域多年，并得到大量的三維建模軟件的支持，F(xiàn)BX格式也是許多解決方案的首選模型互導格式。模型搭建完成后，從Revit 導出FBX 格式。因為模型材質通過Revit 直接導出為Autodesk Generic格式，這種材質格式并不能被Unity 識別，需要在3D Max 里轉換成Standard 標準材質并重新導出為FBX 格式（圖4）。

圖4 3D Max轉換Revit模型材質

2 基于Unity引擎的軟件開發(fā)

市面上AR 的解決方案有很多，如：ARKit、ARCore、Vuforia、AR.js、A-Frame以及TARSDK 等。其中大部分的SDK 工作原理基本相同，都是采用視覺慣性系統(tǒng)來追蹤定位周圍的環(huán)境，所以SDK 的優(yōu)劣選擇更多取決于硬件設備的支持度和用戶使用的廣泛度。

在進行軟件開發(fā)前，需要為電腦配置安卓軟件開發(fā)環(huán)境。配置方法有兩種，一種方法是用Nvidia 打包好，Android 開發(fā)環(huán)境包配置。這種方法優(yōu)點是安裝方便，各種配置文件已經(jīng)由Nvidia 整理好，使用直接安裝即可，但是這種方法的通用性不強，只能針對某個特定版本的安卓系統(tǒng)，后續(xù)更新使用也比較麻煩。另一種方法是用Android Studio 配置開發(fā)環(huán)境。這種方法優(yōu)點是可以靈活配置各個安卓系統(tǒng)版本的開發(fā)環(huán)境，版本切換比較方便，后續(xù)更新也十分容易，但是配置安裝煩瑣，容易出現(xiàn)組件配置不全的問題。

如圖5 所示，本研究所用的AR 解決方案是基于Unity 制作開發(fā)的。Unity 是一款游戲引擎，可以創(chuàng)作類型多樣的實時3D 互動內(nèi)容，其應用領域涵蓋游戲開發(fā)、美術、建筑、汽車設計和影視等。Unity 平臺提供了一整套完整的軟件解決方案，可用于創(chuàng)作任何實時互動的2D 和3D 內(nèi)容，支持包括手機、平板電腦、PC、游戲主機、增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實設備等各種平臺。

圖5 基于Unity的Vuforia制作AR軟件的流程圖

Vuforia 是高通推出的針對移動設備擴增實境應用的軟件開發(fā)工具包，為Unity 提供了AR 增強現(xiàn)實的解決方案。Vuforia 利用計算機視覺技術實時識別和捕捉平面圖像或簡單的三維物體，然后允許開發(fā)者通過照相機取景器放置虛擬物體并調整物體在鏡頭前實體背景上的位置，將預先建好的模型呈現(xiàn)現(xiàn)在識別位置，然后可以根據(jù)需要進一步添加動畫和其他內(nèi)容。

Revit 精確建模后導出模型頂點數(shù)和面數(shù)非常多，不進行減面操作AR 設備硬件性能不佳，會在使用時十分卡頓（圖6）。在不影響尺寸精度的前提下，將模型導入3DMAX 后利用優(yōu)化工具對模型進行適當優(yōu)化（圖7）。模型優(yōu)化對比如表1 所示。

圖6 優(yōu)化前節(jié)點模型三角網(wǎng)格

圖7 優(yōu)化后節(jié)點模型三角網(wǎng)格

表1 模型優(yōu)化對比表

通過Unity 將模型3D Max 標準材質修改成Unity 材質（圖8），在模型暗部區(qū)域添加點光源光照提升場景亮度，通過Vuforia 插件添加AR 攝像機和ImageTraget，將模型添加到ImageTraget下使成為其子集，在開發(fā)過程中需要通過搭建的開發(fā)環(huán)境對軟件進行測試，封裝軟件。

圖8 Unity修改模型材質

3 軟件應用探究

設計階段BIM 加AR 可視化可以縮短設計方和業(yè)主的溝通距離。使用增強現(xiàn)實技術，用移動端以微縮模型顯示BIM 模型，可以清楚地展示建筑外立面構造。如果需要可以按建筑物的實際尺寸比例顯示，清楚展示建筑任何部分的空間信息。同樣，可以在現(xiàn)場展示新建筑如何適應其周邊實際環(huán)境，一旦將BIM 模型錨定到現(xiàn)實中，模型會變得非常真實（圖9）。

圖9 移動端AR軟件演示

施工階段AR 是很好的現(xiàn)場溝通工具，通過可視化呈現(xiàn)建筑結構和關鍵節(jié)點的三維模型，工程施工承包商能夠更快地了解要施工的建筑。在建筑施工現(xiàn)場環(huán)境中疊加1 ∶1 的BIM 模型，相比傳統(tǒng)使用繪制的2D 圖紙，減少解釋溝通工作量和方案的模糊空間，可以讓所有工程參與方協(xié)同參與進來共同完成。同樣在工程驗收時，監(jiān)理可以使用AR 軟件呈現(xiàn)的三維模型和已完成節(jié)點進行比對，通過這樣的方法可以快速發(fā)現(xiàn)施工中存在的質量問題。運用BIM 加AR 技術將代替過去技術交底的二維圖紙，直接在現(xiàn)場進行實時查看和預覽（圖10）。AR 和BIM 相結合本身能夠提供良好的可視化效果，使過去對工人需要較長時間解釋的工作大大縮短。

圖10 現(xiàn)場施工移動端AR演示

4 結論

通過AR 增強現(xiàn)實技術將三維模型信息精確地傳遞給施工人員，不僅提高了工程質量，而且降低了施工管理難度。在工程項目關鍵節(jié)點施工中，常常存在施工交底未知的問題。傳統(tǒng)施工交底十分考驗專業(yè)知識和自身經(jīng)驗，需要想象與感受三維空間的實際狀況。運用BIM 和AR 結合的可視化技術手段呈現(xiàn)三維模型，能讓施工交底不再局限于傳統(tǒng)2D 圖紙，工程中各工作團隊都可以直接瀏覽，并使用此模型進行溝通討論與分析，進而更方便地讓工程相關的人員共同審閱與協(xié)同討論建筑模型，甚至是不具備相關專業(yè)知識的業(yè)主都能參與其中，減少雙方想象的落差、縮短溝通時間，簡化和加速溝通的過程，以達到工程各領域團隊的共識。